JPH0220049A - 電子回路装置冷却モジユール - Google Patents
電子回路装置冷却モジユールInfo
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- JPH0220049A JPH0220049A JP1123034A JP12303489A JPH0220049A JP H0220049 A JPH0220049 A JP H0220049A JP 1123034 A JP1123034 A JP 1123034A JP 12303489 A JP12303489 A JP 12303489A JP H0220049 A JPH0220049 A JP H0220049A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
以下の順序で本発明を説明する。
A 産業上の利用分野
B 従来技術
C発明が解決しようとする問題点
D 問題点を解決するための手段
E 実施例
81 本発明の高伝導冷却モジュール(第1図)
E2 バイアス手段の構造(第4A−4E図)E3 内
部熱装置、冷却ハント及び熱媒体(第3A−3C図) E4 側方バイアス手段(第5A−5E図)E5 他の
改良(第6、第7図) E6 具体的構成例 F 発明の効果 A 産業上の利用分野 本発明は集積回路(IC)チップのような小型の平坦な
発熱性電子回路装置の伝導冷却、具体的には発熱性装置
と熱シンク間に、熱抵抗の小さな経路を有する冷却装置
に関する。
部熱装置、冷却ハント及び熱媒体(第3A−3C図) E4 側方バイアス手段(第5A−5E図)E5 他の
改良(第6、第7図) E6 具体的構成例 F 発明の効果 A 産業上の利用分野 本発明は集積回路(IC)チップのような小型の平坦な
発熱性電子回路装置の伝導冷却、具体的には発熱性装置
と熱シンク間に、熱抵抗の小さな経路を有する冷却装置
に関する。
B 従来技術
チップ・レベルでの大規模集積(LSI)及び超大規模
集積(VLSI)の導入、並びに単一の多層基板上に多
くのチップをパッケージングすることによるモジュール
・レベルでの超大規模集積の導入によって、回路密度と
電力密度が著しく増大した。たとえば、チップ及びモジ
ュール・レベルでの集積によって、回路密度は1m3当
り2゜5X107回路はども高くなり、チップ・レベル
で11000k/m2もの熱束密度を除去する必要が生
じている。これ等の高い熱束密度を除去するために、熱
を消散させる種々の装置が研究されている。1つの制約
は、冷却用流体(たとえば水)がチップと、もしくはチ
ップがを付けられている領域と直接接触できない点にあ
る。従って、チップと流体間には冷却用ハントが設けら
れねばならなかった。多重チップ・モジュール上のチッ
プの表面は、基板の反り、チップ及びはんだボールの厚
さの差のためにすべてがかならずしも同一平面上にない
ので、単一の平坦な冷却板をチップに接近して置いたの
では、板は各チップと平等に接触せず、従ってギャップ
が残り、これによって現在のVLS Iの応用では許容
できない程度に熱抵抗を増大した。ギャップを、一般に
知られている順応性のある即ち変形性のある熱伝導材料
で充填すると熱抵抗は低くなるが、1cm2当り6o−
120ワツトを達成することはできない。各チップから
平坦な冷却板迄に、固体の非変形性の熱流経路を与える
ことは、熱的な観点からは望ましいが、このような固体
の系を与えると、一般に知られている現象であるはんだ
ボールの疲労を生じやすいので(たとえば、1969年
刊IBM研究開発ジーナル第13(3)巻、第225号
中(7)K、C,/リス及びA、H,ランズベルグによ
る論文「制御された崩壊相互接続部の信頼性J (”
Re1iabilityof Controlled
Co11apse Interconnections
” by K。
集積(VLSI)の導入、並びに単一の多層基板上に多
くのチップをパッケージングすることによるモジュール
・レベルでの超大規模集積の導入によって、回路密度と
電力密度が著しく増大した。たとえば、チップ及びモジ
ュール・レベルでの集積によって、回路密度は1m3当
り2゜5X107回路はども高くなり、チップ・レベル
で11000k/m2もの熱束密度を除去する必要が生
じている。これ等の高い熱束密度を除去するために、熱
を消散させる種々の装置が研究されている。1つの制約
は、冷却用流体(たとえば水)がチップと、もしくはチ
ップがを付けられている領域と直接接触できない点にあ
る。従って、チップと流体間には冷却用ハントが設けら
れねばならなかった。多重チップ・モジュール上のチッ
プの表面は、基板の反り、チップ及びはんだボールの厚
さの差のためにすべてがかならずしも同一平面上にない
ので、単一の平坦な冷却板をチップに接近して置いたの
では、板は各チップと平等に接触せず、従ってギャップ
が残り、これによって現在のVLS Iの応用では許容
できない程度に熱抵抗を増大した。ギャップを、一般に
知られている順応性のある即ち変形性のある熱伝導材料
で充填すると熱抵抗は低くなるが、1cm2当り6o−
120ワツトを達成することはできない。各チップから
平坦な冷却板迄に、固体の非変形性の熱流経路を与える
ことは、熱的な観点からは望ましいが、このような固体
の系を与えると、一般に知られている現象であるはんだ
ボールの疲労を生じやすいので(たとえば、1969年
刊IBM研究開発ジーナル第13(3)巻、第225号
中(7)K、C,/リス及びA、H,ランズベルグによ
る論文「制御された崩壊相互接続部の信頼性J (”
Re1iabilityof Controlled
Co11apse Interconnections
” by K。
C,Norris and A、 H,Landzb
erg in the I B MJourna
l of Re5earch and Deve
lopment、 l 3(8)、225 (196
9’) )’!:参照)、機械的には望ましくない。チ
ップと冷却ハント間で望まれるのは変形性を有する熱的
接続体である。しかも、この接続体はVLS I応用の
場合はより大きな熱伝達表面を与えなければならず、同
時にチップの高さと傾斜の変動を調整できるものでなけ
ればならない。このような接続を達成する一般に良く知
られている方法は、内部熱(伝導)装置をチップに接触
せしめて、熱を熱的境界を介してハントに伝えるもので
ある。このような冷却ハントを使用する構造の例は米国
特許第3993123号に開示されている、気体を封入
した熱伝導モジュール(TCM)である。
erg in the I B MJourna
l of Re5earch and Deve
lopment、 l 3(8)、225 (196
9’) )’!:参照)、機械的には望ましくない。チ
ップと冷却ハント間で望まれるのは変形性を有する熱的
接続体である。しかも、この接続体はVLS I応用の
場合はより大きな熱伝達表面を与えなければならず、同
時にチップの高さと傾斜の変動を調整できるものでなけ
ればならない。このような接続を達成する一般に良く知
られている方法は、内部熱(伝導)装置をチップに接触
せしめて、熱を熱的境界を介してハントに伝えるもので
ある。このような冷却ハントを使用する構造の例は米国
特許第3993123号に開示されている、気体を封入
した熱伝導モジュール(TCM)である。
熱抵抗はR=dT/Qとして定義できる。ここでdTは
領域の端間の温度差であり、Qは領域の端間の熱流(熱
伝導量)である。この式はフーリエの熱伝導式Q=kA
dT/LをR=L/kAと置いて書直したものである。
領域の端間の温度差であり、Qは領域の端間の熱流(熱
伝導量)である。この式はフーリエの熱伝導式Q=kA
dT/LをR=L/kAと置いて書直したものである。
ただし、Lは領域の長さ、kは媒体の熱伝導率及びAは
領域の断面積である。
領域の断面積である。
チップと冷却ハント間に内部熱装置を有する、代表的な
熱的増強がされたモジュールの熱的バホーマンスを説明
するために、第2図を参照されたい。
熱的増強がされたモジュールの熱的バホーマンスを説明
するために、第2図を参照されたい。
この図は冷却ハントと別個の冷却板を有する熱的に増強
されたモジュールの単一チップ・ユニットの断面図であ
る。基板10上のはんだボール12を介するチップ11
から冷却板16への熱経路の熱抵抗はいくつかの部分に
分けることができる。
されたモジュールの単一チップ・ユニットの断面図であ
る。基板10上のはんだボール12を介するチップ11
から冷却板16への熱経路の熱抵抗はいくつかの部分に
分けることができる。
Rextは外部熱抵抗であり、モジュールに関連して次
のように定義されるものである。
のように定義されるものである。
flext=dT (h −i w )/ Pmここで
dT(h−1w)はハント41と冷却板16を流れる水
量の温度差であり、Pmはモジュールの電力である。R
extは2つの部分、即ち冷却ハント41と冷却板16
の対向表面間の境界抵抗と、冷却板16の表面と冷却板
の内部で循環している水との間の抵抗に分けられる。冷
却ハントと冷却板が互に結合された2つの別個の部品よ
り形成されていす、単一体である時には境界抵抗は0で
ある。Rintは内部熱抵抗を表わし、次式で定義され
る。
dT(h−1w)はハント41と冷却板16を流れる水
量の温度差であり、Pmはモジュールの電力である。R
extは2つの部分、即ち冷却ハント41と冷却板16
の対向表面間の境界抵抗と、冷却板16の表面と冷却板
の内部で循環している水との間の抵抗に分けられる。冷
却ハントと冷却板が互に結合された2つの別個の部品よ
り形成されていす、単一体である時には境界抵抗は0で
ある。Rintは内部熱抵抗を表わし、次式で定義され
る。
Rint=dT (c−h )/Pc
ここでdT(c−h)はチップ11とハント41の上面
部の間の温度差であり、Pcはチップの電力である。)
(intは5つの成分抵抗:Rc、Rc−1、Ri、R
1−h及びRhの和として定義される。Rcはチップの
熱抵抗、Rc−iはチップ11と内部熱装置13の境界
の熱抵抗、R1は内部熱装置13の熱抵抗、R1−hは
内部熱装置と冷却ハント41間の熱抵抗、そしてl”t
hは冷却ハント41の熱抵抗を表わしている。
部の間の温度差であり、Pcはチップの電力である。)
(intは5つの成分抵抗:Rc、Rc−1、Ri、R
1−h及びRhの和として定義される。Rcはチップの
熱抵抗、Rc−iはチップ11と内部熱装置13の境界
の熱抵抗、R1は内部熱装置13の熱抵抗、R1−hは
内部熱装置と冷却ハント41間の熱抵抗、そしてl”t
hは冷却ハント41の熱抵抗を表わしている。
チップ11と内部熱装置13間の境界の熱抵抗Rc−1
は接触する固体と境界の媒体の幾何学的、物理的及び熱
的特性の複雑な関数である。Rc −1は2つの並列な
熱抵抗:1もしくはそれ以上の固体(たとえば金属)の
コンタクト領域12を通る伝導抵抗及びチップ11と内
部熱装置13間に存在する空所を充填するのに使用され
る境界の媒体(たとえば流体)を通る伝導抵抗より成る
。支配的な熱伝導経路は通常境界の媒体を通るものであ
る。
は接触する固体と境界の媒体の幾何学的、物理的及び熱
的特性の複雑な関数である。Rc −1は2つの並列な
熱抵抗:1もしくはそれ以上の固体(たとえば金属)の
コンタクト領域12を通る伝導抵抗及びチップ11と内
部熱装置13間に存在する空所を充填するのに使用され
る境界の媒体(たとえば流体)を通る伝導抵抗より成る
。支配的な熱伝導経路は通常境界の媒体を通るものであ
る。
内部熱装置13と冷却ハント41間の熱抵抗R1−hは
、内部熱装置13と冷却ハント41間のギャップの面積
及び厚さ、内部熱装置13と冷却ハント41の断面積並
びに内部熱装置13及び冷却ハント41の熱伝導率を含
むいくつかのパラメータの関数である。
、内部熱装置13と冷却ハント41間のギャップの面積
及び厚さ、内部熱装置13と冷却ハント41の断面積並
びに内部熱装置13及び冷却ハント41の熱伝導率を含
むいくつかのパラメータの関数である。
VLS lチップの回路密度、スイッチング速度及び対
応する電力(たとえば、現在の高電力バイポーラ・チッ
プの電力密度は現在60−120ワット/cm2の範囲
にある)は増大しているので、チップと冷却ハント間に
内部熱装置が置かれている熱伝導システムの熱抵抗はさ
らに減少される必要がある。上吊の米国特許第3993
123号のTCMでは、内部熱装置13は1つの点でチ
ップと接触するピストンをなくしている。TCMは現在
のVLS Iシステムでは非常に有用で、成功している
が、すべての応用で将来の高電力システムに拡張するの
は容易ではない。
応する電力(たとえば、現在の高電力バイポーラ・チッ
プの電力密度は現在60−120ワット/cm2の範囲
にある)は増大しているので、チップと冷却ハント間に
内部熱装置が置かれている熱伝導システムの熱抵抗はさ
らに減少される必要がある。上吊の米国特許第3993
123号のTCMでは、内部熱装置13は1つの点でチ
ップと接触するピストンをなくしている。TCMは現在
のVLS Iシステムでは非常に有用で、成功している
が、すべての応用で将来の高電力システムに拡張するの
は容易ではない。
現在の技術分野では、熱伝達を増大するための多くの構
造体が存在する。その中には、内部熱装置が冷却ハント
中の対応するフィンと係合するフィンを有する、かみあ
いフィン構造体がある。これ等の構造体はチップと接触
する内部熱装置と冷却ハント間の熱伝達面積が増大して
いるために、TCM中のピストンのような単一表面構造
体よりも熱的性能が改良される可能性がある。かみあい
フィン熱シンク応用では、フィン間のかみあい面積をで
きるだけ大きくすることが一般に知られている。配偶さ
れるフィン間のギャップは製造と組立てを容易にするた
めに十分広くなくてはならない。製造と組立てを容易に
するために十分広くされたギャップでも、チップの傾き
を調整してしまうほどは広くない。チップの傾きを調整
できる程のギャップをもうけると、チップと内部熱装置
間のギャップの熱抵抗が増加する。
造体が存在する。その中には、内部熱装置が冷却ハント
中の対応するフィンと係合するフィンを有する、かみあ
いフィン構造体がある。これ等の構造体はチップと接触
する内部熱装置と冷却ハント間の熱伝達面積が増大して
いるために、TCM中のピストンのような単一表面構造
体よりも熱的性能が改良される可能性がある。かみあい
フィン熱シンク応用では、フィン間のかみあい面積をで
きるだけ大きくすることが一般に知られている。配偶さ
れるフィン間のギャップは製造と組立てを容易にするた
めに十分広くなくてはならない。製造と組立てを容易に
するために十分広くされたギャップでも、チップの傾き
を調整してしまうほどは広くない。チップの傾きを調整
できる程のギャップをもうけると、チップと内部熱装置
間のギャップの熱抵抗が増加する。
フィン付きの内部熱装置がチップに結合されるフィン付
き構造体は従来存在する。しかしながら、このような構
造体は、結合によって取換えが固相になり、コスト高に
なるために現在の応用には適さない。さらに、内部熱装
置がチップに結合されている時には、この装置とハント
間の接続部のひずみを解放する何等かの手段が必要であ
る。現在知られている手段はどれも熱的バホーマンスが
満足すべきものでない。従って、チップに結合する必要
がなく、応力が加わらないハントとの熱的接続部を有し
、チップの高さと傾斜の変動に適応できる内部熱装置が
望まれる。結合型の装置及び固体で剛体の相互接続部は
、変形性の境界よりも、通常良奸な熱導体であるから、
上述のような要件はチップ熱の放散能力を低下させなけ
ればなしえない。
き構造体は従来存在する。しかしながら、このような構
造体は、結合によって取換えが固相になり、コスト高に
なるために現在の応用には適さない。さらに、内部熱装
置がチップに結合されている時には、この装置とハント
間の接続部のひずみを解放する何等かの手段が必要であ
る。現在知られている手段はどれも熱的バホーマンスが
満足すべきものでない。従って、チップに結合する必要
がなく、応力が加わらないハントとの熱的接続部を有し
、チップの高さと傾斜の変動に適応できる内部熱装置が
望まれる。結合型の装置及び固体で剛体の相互接続部は
、変形性の境界よりも、通常良奸な熱導体であるから、
上述のような要件はチップ熱の放散能力を低下させなけ
ればなしえない。
従来のかみあいフィン構造体の中には、1977年5月
刊IBMテクニカル・ディスクロージャ、ブレティン、
第4683−第4685真中のトムプロスキ等により開
示されている「熱伝導性スタッド」(Thermal
Conductive 5tud ” by Domb
roskiet at in the I B
M Technical DisclosureB
ulletin 、 May l 977、Page
s4683 4685)がある。この論文は配偶フィン
間に必要とされるギャップの重量部分の長さが長く、ギ
ャップが狭いと、チップの表面に接触するフィン付き内
部熱装置の傾斜範囲が制限されると述べている。
刊IBMテクニカル・ディスクロージャ、ブレティン、
第4683−第4685真中のトムプロスキ等により開
示されている「熱伝導性スタッド」(Thermal
Conductive 5tud ” by Domb
roskiet at in the I B
M Technical DisclosureB
ulletin 、 May l 977、Page
s4683 4685)がある。この論文は配偶フィン
間に必要とされるギャップの重量部分の長さが長く、ギ
ャップが狭いと、チップの表面に接触するフィン付き内
部熱装置の傾斜範囲が制限されると述べている。
この論文はチップの傾斜が内部熱装置の傾斜範囲を越え
ると、このフィン付き装置とチップ間には許容できない
大きなギャップが生じることを開示している。この問題
を解決するために、この論文には、内部熱装置のフィン
は一体にされてはならず、各々が傾斜したチップとライ
ン接触するように垂直に移動できる、独立したT字型の
スタッドでなければならないと述べられている。このT
字型スタッドは長く、従って熱抵抗が高く、T字型スタ
ッドと傾斜したチップ間にはギャップがあって、その間
の熱抵抗を増大している。従ってフィン間の熱抵抗は比
較的低いが、チップとフィン間に熱抵抗が追加されてい
る。さらにフィン付き内部熱装置のベースは中断されて
いるので、チップからフィンへの、そしてフィン間の熱
の広がりが制限されている。各チップに多くのばねとT
字型スタッドを必要とするということは、100以上の
チップを含む伝導冷却モジュール環境で、このようなシ
ステムを製造するのをコスト高にし、複雑にしている。
ると、このフィン付き装置とチップ間には許容できない
大きなギャップが生じることを開示している。この問題
を解決するために、この論文には、内部熱装置のフィン
は一体にされてはならず、各々が傾斜したチップとライ
ン接触するように垂直に移動できる、独立したT字型の
スタッドでなければならないと述べられている。このT
字型スタッドは長く、従って熱抵抗が高く、T字型スタ
ッドと傾斜したチップ間にはギャップがあって、その間
の熱抵抗を増大している。従ってフィン間の熱抵抗は比
較的低いが、チップとフィン間に熱抵抗が追加されてい
る。さらにフィン付き内部熱装置のベースは中断されて
いるので、チップからフィンへの、そしてフィン間の熱
の広がりが制限されている。各チップに多くのばねとT
字型スタッドを必要とするということは、100以上の
チップを含む伝導冷却モジュール環境で、このようなシ
ステムを製造するのをコスト高にし、複雑にしている。
1984年2月刊の18Mテクニカル・ディスクロージ
ャ・ブレティン、第4658−第4660頁にハサン等
による論文「冷却板又は外部空冷型モジュールのための
高性能チップ冷却技術」(I BM Technic
al Disclosure Bulletin。
ャ・ブレティン、第4658−第4660頁にハサン等
による論文「冷却板又は外部空冷型モジュールのための
高性能チップ冷却技術」(I BM Technic
al Disclosure Bulletin。
February 1984、Pages 4658−
4660、” High Performance C
hip−Cooling Techniquefor
Co1d Plata or External Ai
r−Cooled Modulesby Hassan
et al)には、かみあわされたフィン付き冷却構
造体が開示されている。この論文には、フィン付き内部
熱装置のベース部分とチップ間の境界に低融点のはんだ
を有するフィン付き内部熱装置と、衝撃を吸収するのに
使用される、中央に存在するコイル状ばね及びエラスト
マ材料、もしくは単独で衝撃吸収とばねの機能を合せ持
つエラストマ材料とを用いた構成を開示している。フィ
ン付き内部熱装置はコイル状ばね及びエラストマ材料、
もしくはエラストマ材料単独によってチップの方にバイ
アスされていて、チップの傾斜は特に、冷却ハントのフ
ィンと内部熱装置のフィン間の大きなギャップによって
調整されている。低融点のはんだは空所を生じやすく、
これによって熱抵抗は将来のVLS [の応用にとって
許容できないレベルに迄増大する。さらに低融点のはん
だは、このような境界では物理的に安定であるとは確証
されていない。コイル状のばねは、本来なら熱伝達に使
用できるはずの面積を占有するため、熱的性能に重大な
影Vt与える。エラストマのばねも高い熱的性能を与え
るための主要な領域を占め、重要な並列的熱流経路を与
えず、又本発明の実施例の項で説明するような側方バイ
アスを与えることが回覧である。
4660、” High Performance C
hip−Cooling Techniquefor
Co1d Plata or External Ai
r−Cooled Modulesby Hassan
et al)には、かみあわされたフィン付き冷却構
造体が開示されている。この論文には、フィン付き内部
熱装置のベース部分とチップ間の境界に低融点のはんだ
を有するフィン付き内部熱装置と、衝撃を吸収するのに
使用される、中央に存在するコイル状ばね及びエラスト
マ材料、もしくは単独で衝撃吸収とばねの機能を合せ持
つエラストマ材料とを用いた構成を開示している。フィ
ン付き内部熱装置はコイル状ばね及びエラストマ材料、
もしくはエラストマ材料単独によってチップの方にバイ
アスされていて、チップの傾斜は特に、冷却ハントのフ
ィンと内部熱装置のフィン間の大きなギャップによって
調整されている。低融点のはんだは空所を生じやすく、
これによって熱抵抗は将来のVLS [の応用にとって
許容できないレベルに迄増大する。さらに低融点のはん
だは、このような境界では物理的に安定であるとは確証
されていない。コイル状のばねは、本来なら熱伝達に使
用できるはずの面積を占有するため、熱的性能に重大な
影Vt与える。エラストマのばねも高い熱的性能を与え
るための主要な領域を占め、重要な並列的熱流経路を与
えず、又本発明の実施例の項で説明するような側方バイ
アスを与えることが回覧である。
日本国特開昭57−103337号は1対のかみあいフ
ィン付き構造体を開示している。この構造では対の一方
のメンバはチップに接続されるペースに取付けられた1
組のフィンを有する。この明細書によると、かみあわさ
れるフィン間に広いギャップを使用することによって、
チップに接続されるフィン付き構造体の組立てが可能に
されている。しかしながら広いギャップは、対応するが
みあわされるフィン間の境界抵抗を減少するのに、背の
高いフィンの使用を必要とする。フィンが高いと、低い
フィンよりも全体的な熱抵抗が大きくなる。さらにこの
明細書のフィンは組立て後移動できず、また、モジュー
ルの部品が発熱し、異なる割合で膨張した時にチップも
しくはそのデリケートなはんだ接続部を破壊しないよう
に、薄くてたわむことができなければならない。従って
この構造体は、冷却板と冷却ハントが熱伝導経路をなす
水冷熱伝導モジュール型システム中で、上述の高電力が
供給されるチップを冷却できるほど十分低い熱抵抗を与
えることはできない(この明細書に示されている最小の
熱抵抗は10℃/Wである)。
ィン付き構造体を開示している。この構造では対の一方
のメンバはチップに接続されるペースに取付けられた1
組のフィンを有する。この明細書によると、かみあわさ
れるフィン間に広いギャップを使用することによって、
チップに接続されるフィン付き構造体の組立てが可能に
されている。しかしながら広いギャップは、対応するが
みあわされるフィン間の境界抵抗を減少するのに、背の
高いフィンの使用を必要とする。フィンが高いと、低い
フィンよりも全体的な熱抵抗が大きくなる。さらにこの
明細書のフィンは組立て後移動できず、また、モジュー
ルの部品が発熱し、異なる割合で膨張した時にチップも
しくはそのデリケートなはんだ接続部を破壊しないよう
に、薄くてたわむことができなければならない。従って
この構造体は、冷却板と冷却ハントが熱伝導経路をなす
水冷熱伝導モジュール型システム中で、上述の高電力が
供給されるチップを冷却できるほど十分低い熱抵抗を与
えることはできない(この明細書に示されている最小の
熱抵抗は10℃/Wである)。
さらにフィン付き構造体をチップに結合すると、特に高
電力チップの場合は、上述の機械的応力、はんだボール
の疲労、信頼性及び取換えの問題を生じる。
電力チップの場合は、上述の機械的応力、はんだボール
の疲労、信頼性及び取換えの問題を生じる。
日本国特開昭61−67248号は、対の1つのメンバ
が半導体チップに取付けられているかみあわされたフィ
ン付き構造体の対を開示している。
が半導体チップに取付けられているかみあわされたフィ
ン付き構造体の対を開示している。
このシステムは上述の特開昭明細書に開示されているの
と同じ理由で、この発明によってカバーされる応用にと
っては機械的に堅固すぎ、高電力で応用する時は、かな
りな機械的応力、はんだボールの疲労、信頼性及び取換
えの問題がある。
と同じ理由で、この発明によってカバーされる応用にと
っては機械的に堅固すぎ、高電力で応用する時は、かな
りな機械的応力、はんだボールの疲労、信頼性及び取換
えの問題がある。
日本国特開昭60−126852号は中央に存在するコ
イル状のばねによって、対のうちの1つのメンバがチッ
プに対して押しつけられている、1対のかみあわされた
フィン付き構造体を開示している。コイル状のばねはこ
れがなければ熱伝達に使用できる領域を占有するので、
熱的性能をそこね、側方バイアスを必要とするような高
電力の応用のための側方パイアスカを与えることはでき
ない。さらにこの特開昭は、チップ位置間の領域では各
チップ位置の領域よりもキャップが薄くなければならな
いと開示している。これによれば各チップ位置の側方に
あるフィンからキャップ間での熱抵抗が増大するので、
熱的性能が十分とは云えない。
イル状のばねによって、対のうちの1つのメンバがチッ
プに対して押しつけられている、1対のかみあわされた
フィン付き構造体を開示している。コイル状のばねはこ
れがなければ熱伝達に使用できる領域を占有するので、
熱的性能をそこね、側方バイアスを必要とするような高
電力の応用のための側方パイアスカを与えることはでき
ない。さらにこの特開昭は、チップ位置間の領域では各
チップ位置の領域よりもキャップが薄くなければならな
いと開示している。これによれば各チップ位置の側方に
あるフィンからキャップ間での熱抵抗が増大するので、
熱的性能が十分とは云えない。
日本国特開昭60−126853号には、中央に存在す
るコイル状のばねによって、対の1つのメンバがチップ
に対して押え付けられている1対のかみあわされたフィ
ン付き横遺体を開示している。従って上述のハサン(H
assan )の論文及び特開昭60−126852号
の場合と同じ理由で熱的性能がそこなわれている。
るコイル状のばねによって、対の1つのメンバがチップ
に対して押え付けられている1対のかみあわされたフィ
ン付き横遺体を開示している。従って上述のハサン(H
assan )の論文及び特開昭60−126852号
の場合と同じ理由で熱的性能がそこなわれている。
上述の条件及び現状からみて、冷却用の流体がチップも
しくはチップが取付けられている領域と直接接触する必
要がない、60−120ワット/cm2の電力のチップ
を冷却できる高性能熱伝導モジュールが必要なことは明
らかであろう。又モジュール中に使用されるチップと内
部熱装置間に堅固な接続体がないこと、及びチップの傾
斜とチップの高さの変動を吸収できる手段が必要である
。
しくはチップが取付けられている領域と直接接触する必
要がない、60−120ワット/cm2の電力のチップ
を冷却できる高性能熱伝導モジュールが必要なことは明
らかであろう。又モジュール中に使用されるチップと内
部熱装置間に堅固な接続体がないこと、及びチップの傾
斜とチップの高さの変動を吸収できる手段が必要である
。
チップの取換えは容易に行なわれなくてはならず、又熱
的接触抵抗を最小にするようにチップと内部熱装置との
境界面で十分な熱接触が得られなくてはならない。
的接触抵抗を最小にするようにチップと内部熱装置との
境界面で十分な熱接触が得られなくてはならない。
C0発明が解決しようとする問題点
本発明の目的は、チップもしくはチップが取付けられて
いる領域に冷却用の流体を直接接触させることなく、半
導体チップのような熱発生装置から効率的に熱を消散で
きる高性能熱伝導モジュールを与えることにある。
いる領域に冷却用の流体を直接接触させることなく、半
導体チップのような熱発生装置から効率的に熱を消散で
きる高性能熱伝導モジュールを与えることにある。
本発明の他の目的は、チップとフィン付き内部熱装置間
に堅固な接続体のない熱伝導モジュールを与えることに
ある。
に堅固な接続体のない熱伝導モジュールを与えることに
ある。
本発明の他の目的は、チップの傾斜とチップの高さの変
動に適応するための手段が存在する熱伝導モジュールを
与えることにある。
動に適応するための手段が存在する熱伝導モジュールを
与えることにある。
D9問題点を解決するための手段
上述の目的は、フィンが取付けられた平坦なベースを有
するフィン付きの内部熱伝導装置、対応するフィン付き
の冷却ハント、並びにチップとフィン付きの内部熱伝導
装置の境界(及び内部熱伝導装置と冷却ハントの対応す
るフィンの境界)にある変形性(順応性)を有する熱媒
体によって達成される。独特なバイアス手段が各フィン
付き内部熱伝導装置と冷却ハントとの間に均衡のとれた
力を与え、各フィン付き内部熱伝導装置の平坦なベース
の表面を変形性の熱媒体を介して対応するチップに押し
つける。バイアス手段は冷却ハントとフィン付き内部熱
伝導装置間の他に使用されない領域に設けられる。
するフィン付きの内部熱伝導装置、対応するフィン付き
の冷却ハント、並びにチップとフィン付きの内部熱伝導
装置の境界(及び内部熱伝導装置と冷却ハントの対応す
るフィンの境界)にある変形性(順応性)を有する熱媒
体によって達成される。独特なバイアス手段が各フィン
付き内部熱伝導装置と冷却ハントとの間に均衡のとれた
力を与え、各フィン付き内部熱伝導装置の平坦なベース
の表面を変形性の熱媒体を介して対応するチップに押し
つける。バイアス手段は冷却ハントとフィン付き内部熱
伝導装置間の他に使用されない領域に設けられる。
プロフィール(縦寸法)の小さな2重の片持ちばりのば
ねのようなバイアス手段は、チップとフィン付き内部熱
装置の境界に均衡のとれた荷重を分え、これによって均
一な圧力を与え、変形性の境界を通して対応する均一な
熱の流れを生じる。
ねのようなバイアス手段は、チップとフィン付き内部熱
装置の境界に均衡のとれた荷重を分え、これによって均
一な圧力を与え、変形性の境界を通して対応する均一な
熱の流れを生じる。
フィン付き内部熱装置は変形性の境界により、横方向に
チップの表面に平行に自由に移動可能であり、またバイ
アス手段は、かみあわされるフィンの熱伝達に使用され
る領域を占有せず、従ってコイル状のばねと異なって熱
伝導経路を減じることはない。変形性の境界は合成油の
ような優れた安定性及び相対的に良好な熱伝導率を有す
る油状の膜であることが好ましい。チップとフィン付き
内部熱装置間の変形性の膜は、独特のバイアス手段との
組合せにより、モジュール・パッケージ中に熱的に誘導
される応力を吸収し、チップの高さ及び傾斜の変動に敏
感でなく、非常に微細なギャップを有する剛体のかみあ
わせ式のフィンの使用を可能にする低熱抵抗の界面を与
える。
チップの表面に平行に自由に移動可能であり、またバイ
アス手段は、かみあわされるフィンの熱伝達に使用され
る領域を占有せず、従ってコイル状のばねと異なって熱
伝導経路を減じることはない。変形性の境界は合成油の
ような優れた安定性及び相対的に良好な熱伝導率を有す
る油状の膜であることが好ましい。チップとフィン付き
内部熱装置間の変形性の膜は、独特のバイアス手段との
組合せにより、モジュール・パッケージ中に熱的に誘導
される応力を吸収し、チップの高さ及び傾斜の変動に敏
感でなく、非常に微細なギャップを有する剛体のかみあ
わせ式のフィンの使用を可能にする低熱抵抗の界面を与
える。
E、実施例
El 本発明の高伝導冷却モジュール
半導体チップのような発熱性電子回路装置から熱を除去
するための、本発明に従って構成される高伝導冷却モジ
ュールの特定の構成要素の全体的な機械的アセンブリの
分解図を第1図に示す。第1図で、特定の温度以下に保
持しなければならないチップ11は基板10上に取付け
られている。
するための、本発明に従って構成される高伝導冷却モジ
ュールの特定の構成要素の全体的な機械的アセンブリの
分解図を第1図に示す。第1図で、特定の温度以下に保
持しなければならないチップ11は基板10上に取付け
られている。
米国特許第3495133号に開示されているように、
チップははんだボールによって基板10上に、機能面を
下にして取付けられ、基板10は多層基板であることが
望ましい。剛体のベース上に剛体のフィンを有するフィ
ン付き内部熱伝導装置14が各チップ上に位置付けられ
ていて、この図には示されていない、変形性を有する熱
的境界に沿って、チップに平行な面で横方向に自由に移
動できるようになっている。フィン付き内部熱伝導装置
14の剛体のフィンとかみあう剛体のフィンを有する冷
却ハント即ちキャップ40が冷却板16に取付けられる
か、これと一体になっている。
チップははんだボールによって基板10上に、機能面を
下にして取付けられ、基板10は多層基板であることが
望ましい。剛体のベース上に剛体のフィンを有するフィ
ン付き内部熱伝導装置14が各チップ上に位置付けられ
ていて、この図には示されていない、変形性を有する熱
的境界に沿って、チップに平行な面で横方向に自由に移
動できるようになっている。フィン付き内部熱伝導装置
14の剛体のフィンとかみあう剛体のフィンを有する冷
却ハント即ちキャップ40が冷却板16に取付けられる
か、これと一体になっている。
冷却ハント40は単一片の材料から製造できる。
これに代って、冷却ハントは少なくとも2つの基本部品
、即ちフィン及びフィンのための別個の指示フレームか
ら製造することもできる。冷却板はその中を流れる流体
、たとえば水を有することが好ましい。しかしながら、
たとえば空気流によってモジュールから熱を消散するフ
ィン付き構造体のような他の代替冷却装置も使用できる
。多層基板モジュール内のチップ上にフィン付き内部熱
伝導装置14を効率的に位置付けるために、セパレータ
30を用いることができる。
、即ちフィン及びフィンのための別個の指示フレームか
ら製造することもできる。冷却板はその中を流れる流体
、たとえば水を有することが好ましい。しかしながら、
たとえば空気流によってモジュールから熱を消散するフ
ィン付き構造体のような他の代替冷却装置も使用できる
。多層基板モジュール内のチップ上にフィン付き内部熱
伝導装置14を効率的に位置付けるために、セパレータ
30を用いることができる。
バイアス手段20はフィン付き内部熱伝導装置14と冷
却ハント40間に存在する。バイアス手段は接触する領
域間に均一なパイアスカを加え、従ってフィン付き内部
熱伝導装置のベースの平坦な表面が、変形性の熱媒体を
介してチップに向って押しつけられる。
却ハント40間に存在する。バイアス手段は接触する領
域間に均一なパイアスカを加え、従ってフィン付き内部
熱伝導装置のベースの平坦な表面が、変形性の熱媒体を
介してチップに向って押しつけられる。
E2 バイアス手段の構造
バイアス手段は冷却ハントとフィン付き内部熱伝導装置
間の他に使用しないスペースを占有する、代表的にはば
ねである。第3A図を参照すると、ばねのためのスペー
スはかみあったフィン間に形成されていて、冷却ハント
のフィンもしくはフィン付き内部熱装置のフィンによっ
て部分的に囲まれているチャネル34.36及びフィン
付き内部熱装置14の外側の表面間のスペース35であ
る。
間の他に使用しないスペースを占有する、代表的にはば
ねである。第3A図を参照すると、ばねのためのスペー
スはかみあったフィン間に形成されていて、冷却ハント
のフィンもしくはフィン付き内部熱装置のフィンによっ
て部分的に囲まれているチャネル34.36及びフィン
付き内部熱装置14の外側の表面間のスペース35であ
る。
バイアス手段は圧縮時に、フィン付き内部熱装置のフィ
ンとチップに面する冷却ハントの領域をできるだけ互い
に接近させる。この動作を達成するために、バイアス手
段は代表的には少なくとも1つのアームを有するばねで
ある。
ンとチップに面する冷却ハントの領域をできるだけ互い
に接近させる。この動作を達成するために、バイアス手
段は代表的には少なくとも1つのアームを有するばねで
ある。
第4A図を参照すると、少なくとも2つの片持ちぼりア
ーム22を有するプロフィール(縦寸法)の小さなばね
20を有する好ましいバイアス手段が示されている。設
置された状態のばねは第3B図に示されている。第3B
図で片持ちアーム22の固定端は支持部材24に接続し
、支持部材24はフィン付き内部熱装置14のベース1
5に固定され、互いにクロス部材26によって接続され
ている。各月持ちぼりアーム22の自由端はフィン付き
冷却ハント40の剛体フィン42の一番下の表面に接触
していることが好ましい。明細書を通じて、この最も好
ましい構成について参照されるが、ばねの他の実施例即
ち構造もあり、たとえば片持ちばりばね22の固定端は
冷却ハントに固定でき、自由端はフィン付き内部熱装置
の対応する剛体フィン17.18の一番外側の表面(図
示せず)と接触できる。ばねアームを使用する他の構成
も可能であり、たとえばばねアームはフィン付き内部熱
装置14のベース15に直接取付けられ、又単一の片持
ちぼりアームもしくは多くの片持ちばリアームが使用で
きる。片持ちぼりばねは平坦な原材料から形成され、中
央のクロス部材26及びフィン付き内部熱装置14のベ
ース15に固定される2つの片持ちぼり支持部材24を
有することが好ましい。片持ちばりばねの片持ちばリア
ームとこれが固定されることが好ましいベース間の角度
は約15°乃至60°の範囲、好ましくは約30°であ
る。ばねは通常のばね材料と組合せて、銅1.アルミニ
ウム、銀もしくはその合金のような熱伝導性の材料を含
むもの、例えばジルコニウム−銅が好ましい。このよう
な系では、片持ちぼりアーム22の自由端は冷却ハント
40のフィン42の一番下の表面と接触する。図示され
たように位置付けられた本発明の片持ちばりのバイアス
手段は、フィン構造及びギャップ中の変形性の媒体との
組合せによって、冷却用流体がチップ部分と接触できな
い熱伝導モジュール型のシステムでは従来達成できなか
った低い熱抵抗を与える。好ましい、プロフィールの低
い2重片持ちばりのばねは、チップとフィン付き内部熱
装置間の境界に均衡のとれた荷重を与え、これによって
均一な圧力と、変形性の境界(たとえば、合成油)を通
る均一な熱流を手える。プロフィールの小さな2重片持
ちばりのばねはこれ等の利点だけでなく、フィン付き内
部熱装置の超平坦な表面が変形性の境界に沿って、自由
にチップの表面と平行に横方向に移動できるので、チッ
プの傾斜及び高さの変動に適応するように働く。プロフ
ィールの小さな2重片持ちばりのばねは、熱伝導経路の
面積を減らさないが、それはもともとフィン付き内部熱
装置もしくは冷却ハントのフィンの領域に割当てられて
いるスペースを実質的に占有しないからである。このば
ねは同時にフィン付き内部熱装置14、冷却ハント及び
関連するフィン間に並列な熱流経路を与える。
ーム22を有するプロフィール(縦寸法)の小さなばね
20を有する好ましいバイアス手段が示されている。設
置された状態のばねは第3B図に示されている。第3B
図で片持ちアーム22の固定端は支持部材24に接続し
、支持部材24はフィン付き内部熱装置14のベース1
5に固定され、互いにクロス部材26によって接続され
ている。各月持ちぼりアーム22の自由端はフィン付き
冷却ハント40の剛体フィン42の一番下の表面に接触
していることが好ましい。明細書を通じて、この最も好
ましい構成について参照されるが、ばねの他の実施例即
ち構造もあり、たとえば片持ちばりばね22の固定端は
冷却ハントに固定でき、自由端はフィン付き内部熱装置
の対応する剛体フィン17.18の一番外側の表面(図
示せず)と接触できる。ばねアームを使用する他の構成
も可能であり、たとえばばねアームはフィン付き内部熱
装置14のベース15に直接取付けられ、又単一の片持
ちぼりアームもしくは多くの片持ちばリアームが使用で
きる。片持ちぼりばねは平坦な原材料から形成され、中
央のクロス部材26及びフィン付き内部熱装置14のベ
ース15に固定される2つの片持ちぼり支持部材24を
有することが好ましい。片持ちばりばねの片持ちばリア
ームとこれが固定されることが好ましいベース間の角度
は約15°乃至60°の範囲、好ましくは約30°であ
る。ばねは通常のばね材料と組合せて、銅1.アルミニ
ウム、銀もしくはその合金のような熱伝導性の材料を含
むもの、例えばジルコニウム−銅が好ましい。このよう
な系では、片持ちぼりアーム22の自由端は冷却ハント
40のフィン42の一番下の表面と接触する。図示され
たように位置付けられた本発明の片持ちばりのバイアス
手段は、フィン構造及びギャップ中の変形性の媒体との
組合せによって、冷却用流体がチップ部分と接触できな
い熱伝導モジュール型のシステムでは従来達成できなか
った低い熱抵抗を与える。好ましい、プロフィールの低
い2重片持ちばりのばねは、チップとフィン付き内部熱
装置間の境界に均衡のとれた荷重を与え、これによって
均一な圧力と、変形性の境界(たとえば、合成油)を通
る均一な熱流を手える。プロフィールの小さな2重片持
ちばりのばねはこれ等の利点だけでなく、フィン付き内
部熱装置の超平坦な表面が変形性の境界に沿って、自由
にチップの表面と平行に横方向に移動できるので、チッ
プの傾斜及び高さの変動に適応するように働く。プロフ
ィールの小さな2重片持ちばりのばねは、熱伝導経路の
面積を減らさないが、それはもともとフィン付き内部熱
装置もしくは冷却ハントのフィンの領域に割当てられて
いるスペースを実質的に占有しないからである。このば
ねは同時にフィン付き内部熱装置14、冷却ハント及び
関連するフィン間に並列な熱流経路を与える。
1以上の片持ちぼり部分を有するバイアス手段も本発明
に従って製造される高伝導冷却モジュールに使用できる
。使用される片持ちぼり部分の正確な数はチップの寸法
とフィンの数に依存する。
に従って製造される高伝導冷却モジュールに使用できる
。使用される片持ちぼり部分の正確な数はチップの寸法
とフィンの数に依存する。
第4B図に示したように、プロフィールの小さな片持ち
ばりのばねを複数個相互に接続して、単一のユニット2
7としてモジュール中に挿入することもでき、このよう
にすると、組立を容易にすると共に、フィン付き内部熱
装置のための位置決め手段を与えることができよう。
ばりのばねを複数個相互に接続して、単一のユニット2
7としてモジュール中に挿入することもでき、このよう
にすると、組立を容易にすると共に、フィン付き内部熱
装置のための位置決め手段を与えることができよう。
第4C図は、2重片持ちばりのばね52をフィン付き内
部熱装置14のフィンの一番上の表面に取付けられて、
上述のような働きをさせる例を示している。
部熱装置14のフィンの一番上の表面に取付けられて、
上述のような働きをさせる例を示している。
第4D図は、少なくとも1つの曲がったアーム32より
成り、好ましくはほぼ中央部が弓成りになったばね37
を示しており、このばね37をチャネル中に位置付ける
こともできる。第4D図に示された実施例では、中央が
弓成りになった2つの曲がったアーム32が、ばね37
をフィン付き内部熱装置のベースに固定するしめっけ用
クリップ83に結合されている。この実施例では、固定
手段31も与えられている。本発明の範囲内で、この曲
がったアームの変形を使用することも可能であり、たと
えばばね37を冷却ハントに固定して、アーム32の弓
成り部分をフィン付き内部熱装置の部分に接触させるこ
とができる。曲がったアーム32を有する複数のばね3
7を相互接続することもできる。
成り、好ましくはほぼ中央部が弓成りになったばね37
を示しており、このばね37をチャネル中に位置付ける
こともできる。第4D図に示された実施例では、中央が
弓成りになった2つの曲がったアーム32が、ばね37
をフィン付き内部熱装置のベースに固定するしめっけ用
クリップ83に結合されている。この実施例では、固定
手段31も与えられている。本発明の範囲内で、この曲
がったアームの変形を使用することも可能であり、たと
えばばね37を冷却ハントに固定して、アーム32の弓
成り部分をフィン付き内部熱装置の部分に接触させるこ
とができる。曲がったアーム32を有する複数のばね3
7を相互接続することもできる。
第4し図を参照すると、他のばね47が示されている。
この実施例では、平坦なばね部材46がフィン付き内部
熱装置のフィン間のチャネル中に存在して、フィン付き
内部熱装置のベースに接触し、ばねウィング48が冷却
ハントの部分と接触する。本発明の多くの代替実施例の
場合と同じように、このばねを逆にして、平坦なばね部
材46が冷却ハントのフィン間のチャネル中に位置し、
ばねウィング48がフィン付き内部熱装置の部分と接触
するようにすることもできる。
熱装置のフィン間のチャネル中に存在して、フィン付き
内部熱装置のベースに接触し、ばねウィング48が冷却
ハントの部分と接触する。本発明の多くの代替実施例の
場合と同じように、このばねを逆にして、平坦なばね部
材46が冷却ハントのフィン間のチャネル中に位置し、
ばねウィング48がフィン付き内部熱装置の部分と接触
するようにすることもできる。
上述のようにチャネルを有するモジュール中でばねが十
分に圧縮された時は、このばねは冷却ハ量を不当に制限
することはない。ばねの設計はモジュールが組立てられ
た後にフィン付き内部熱装置及び冷却ハントによって印
加される力を受けた時に、ばねのアームの厚さの約1乃
至3倍の程度の量だけばねが圧縮できるようにされるこ
とが好ましい。これ等の力はチップ回路もしくははんだ
ボールに損傷を与えないように約1000g/Cm2未
満であることが望ましい。
分に圧縮された時は、このばねは冷却ハ量を不当に制限
することはない。ばねの設計はモジュールが組立てられ
た後にフィン付き内部熱装置及び冷却ハントによって印
加される力を受けた時に、ばねのアームの厚さの約1乃
至3倍の程度の量だけばねが圧縮できるようにされるこ
とが好ましい。これ等の力はチップ回路もしくははんだ
ボールに損傷を与えないように約1000g/Cm2未
満であることが望ましい。
少なくとも単一アームより成る上述のばねは代表的には
チャネル34.36もしくはフィン付き内部熱装置の外
部表面間のスペース35のいずれか、もしくは両方中に
はめ込まれ、従って従来のようにフィンの穴に大きな単
一コイルばねな挿入した構造体の場合のように、バイア
ス手段を収納したために熱伝達領域が少なくなることは
ない。
チャネル34.36もしくはフィン付き内部熱装置の外
部表面間のスペース35のいずれか、もしくは両方中に
はめ込まれ、従って従来のようにフィンの穴に大きな単
一コイルばねな挿入した構造体の場合のように、バイア
ス手段を収納したために熱伝達領域が少なくなることは
ない。
ばねがフィン付き内部熱装置の外部表面間のスペース3
5中に置かれる時は、ばねは代表的には各フィン付き内
部熱装置に固定され、最も普通には各フィン付き内部熱
装置のベースに固定される。ばねは適切なパイアスカを
与えて、フィン付き内部熱装置のベースをチップの方に
押し、同時に、チップ回路を破壊したり、はんだボール
接続部に過剰な疲労もしくは損傷を生じたりするような
過剰な力を加えないといった本発明の他の目的を達成す
る。
5中に置かれる時は、ばねは代表的には各フィン付き内
部熱装置に固定され、最も普通には各フィン付き内部熱
装置のベースに固定される。ばねは適切なパイアスカを
与えて、フィン付き内部熱装置のベースをチップの方に
押し、同時に、チップ回路を破壊したり、はんだボール
接続部に過剰な疲労もしくは損傷を生じたりするような
過剰な力を加えないといった本発明の他の目的を達成す
る。
E3 内部熱装置、冷却ハント及び熱媒体本発明の基本
構成要素と高伝導冷却モジュールの熱的境界との協同作
用について第3A図を参照して詳細に説明する。フィン
付き内部熱装置14はチップ11上に取付けられていて
、変形性の熱媒体29を介してチップの最上面に平行な
平面内で自由に移動できる。各フィン付き内部熱装置1
4は平坦なベース15を有する。チップ11の表面に隣
接する剛体のベース15の表面25は非常に平坦な表面
である、即ち1cm当り1ミクロン未満の偏差を有する
ことが好ましい。フィン付き内部熱装置14の一番外側
の剛体フィン17は内側のフィン18よりも幅広くなっ
ている。それはこのような条件の下で熱的性能が改善さ
れることがわかっているからである。最大の冷却能力を
必要としない場合にはフィン付き内部熱装置のすべての
フィンは同じ寸法のものでよい。
構成要素と高伝導冷却モジュールの熱的境界との協同作
用について第3A図を参照して詳細に説明する。フィン
付き内部熱装置14はチップ11上に取付けられていて
、変形性の熱媒体29を介してチップの最上面に平行な
平面内で自由に移動できる。各フィン付き内部熱装置1
4は平坦なベース15を有する。チップ11の表面に隣
接する剛体のベース15の表面25は非常に平坦な表面
である、即ち1cm当り1ミクロン未満の偏差を有する
ことが好ましい。フィン付き内部熱装置14の一番外側
の剛体フィン17は内側のフィン18よりも幅広くなっ
ている。それはこのような条件の下で熱的性能が改善さ
れることがわかっているからである。最大の冷却能力を
必要としない場合にはフィン付き内部熱装置のすべての
フィンは同じ寸法のものでよい。
フィン付き内部熱装置剛体のベースはチップ11の各辺
から突き出ていることが好ましい。最適な突出の幅はベ
ースの厚さ程度である。フィン付き内部熱装置14は剛
体で、熱伝導率の高い任意の材料から形成できる。主な
例はアルミニウム、銅、ベリリヤ、アルミナ、銀、炭化
シリコン、及びその組合せ、もしくはその合金である。
から突き出ていることが好ましい。最適な突出の幅はベ
ースの厚さ程度である。フィン付き内部熱装置14は剛
体で、熱伝導率の高い任意の材料から形成できる。主な
例はアルミニウム、銅、ベリリヤ、アルミナ、銀、炭化
シリコン、及びその組合せ、もしくはその合金である。
しかしながら、この材料はチップ−フィン付き内部熱装
置のベース間の境界部の硬質の破片又は微粒子などの異
物が片持ちはりのばねの作用によってフィン付き内部熱
装置のベースに押込まれるように十分軟かいことが好ま
しい。チップ−フィン付き内部熱装置間の境界部の接触
熱抵抗は、このような異物が圧縮されるか、押込まれな
い時は許容できないレベルに増大する。冷却ハント40
のフィン42.43はフィン付き内部熱装置14のフィ
ン17.18とかみあっている。冷却ハント40及びそ
の関連フィン42.43も剛体であり、代表的にはアル
ミニウム、銅、ベリリヤ、アルミナ、銀、炭化シリコン
、又はその組合せ、もしくはその合金のような熱伝導性
の材料から形成されることが好ましい。対応する剛体の
フィン42.43間の距離は、フィン付き内部熱装置を
その中にはの込むことができ且チップの傾斜に対応でき
る最小のギャップがフィン付き内部熱装置に与えられる
ことが好ましい。チップの高さの差に対応するため、フ
ィン42.43間のチャネル34の高さは、冷却ハント
に面するフィン付き内部熱装置の剛体フィン18と冷却
ハント40の本体との間に垂直方向のギャップが生じる
ように選択されることが好ましい。熱抵抗を最小にする
ためには、フィン付き冷却ハント40の剛体フィン43
は剛体フィン42よりも大きくて長く形成されることが
好ましい。剛体フィン43はフィン付き内部熱装置14
の一番外側のフィン17の外側表面と重なるフィンであ
る。フィン付き冷却ハント40とフィン付き内部熱装置
14の両方について、各剛体フィンの長さと幅の比は、
熱伝導経路を短くして低い熱抵抗を与えるために約10
=1より大きくあってはならなない。現在の加工技術と
製造コストのバランスから見て、各剛体フィンの長さ対
幅の比の実用上の上限は約7:1未満であることがわか
っている。フィンが銅及びアルミニウムのような、通常
人手可能な熱導伝性の材料から形成される時には、各剛
体フィンの長さ対幅の比は約3;1未満であってはなら
ない。それはこれより比が小さいと、本発明の目的とす
る熱的性能が著しく劣化するからである。もし冷却用流
体がチップ部分に直接接触できない環境で最大の冷却を
行う必要がないか、適用例に応じて他の制約が課せられ
る時は、上述のフィンの幾何学的形状は変更できる。た
とえば、冷却ハントのフィンのアスペクト比は材料の性
質に依存して、フィン付き内部熱装置のフィンのアスペ
クト比と異なってもよい。
置のベース間の境界部の硬質の破片又は微粒子などの異
物が片持ちはりのばねの作用によってフィン付き内部熱
装置のベースに押込まれるように十分軟かいことが好ま
しい。チップ−フィン付き内部熱装置間の境界部の接触
熱抵抗は、このような異物が圧縮されるか、押込まれな
い時は許容できないレベルに増大する。冷却ハント40
のフィン42.43はフィン付き内部熱装置14のフィ
ン17.18とかみあっている。冷却ハント40及びそ
の関連フィン42.43も剛体であり、代表的にはアル
ミニウム、銅、ベリリヤ、アルミナ、銀、炭化シリコン
、又はその組合せ、もしくはその合金のような熱伝導性
の材料から形成されることが好ましい。対応する剛体の
フィン42.43間の距離は、フィン付き内部熱装置を
その中にはの込むことができ且チップの傾斜に対応でき
る最小のギャップがフィン付き内部熱装置に与えられる
ことが好ましい。チップの高さの差に対応するため、フ
ィン42.43間のチャネル34の高さは、冷却ハント
に面するフィン付き内部熱装置の剛体フィン18と冷却
ハント40の本体との間に垂直方向のギャップが生じる
ように選択されることが好ましい。熱抵抗を最小にする
ためには、フィン付き冷却ハント40の剛体フィン43
は剛体フィン42よりも大きくて長く形成されることが
好ましい。剛体フィン43はフィン付き内部熱装置14
の一番外側のフィン17の外側表面と重なるフィンであ
る。フィン付き冷却ハント40とフィン付き内部熱装置
14の両方について、各剛体フィンの長さと幅の比は、
熱伝導経路を短くして低い熱抵抗を与えるために約10
=1より大きくあってはならなない。現在の加工技術と
製造コストのバランスから見て、各剛体フィンの長さ対
幅の比の実用上の上限は約7:1未満であることがわか
っている。フィンが銅及びアルミニウムのような、通常
人手可能な熱導伝性の材料から形成される時には、各剛
体フィンの長さ対幅の比は約3;1未満であってはなら
ない。それはこれより比が小さいと、本発明の目的とす
る熱的性能が著しく劣化するからである。もし冷却用流
体がチップ部分に直接接触できない環境で最大の冷却を
行う必要がないか、適用例に応じて他の制約が課せられ
る時は、上述のフィンの幾何学的形状は変更できる。た
とえば、冷却ハントのフィンのアスペクト比は材料の性
質に依存して、フィン付き内部熱装置のフィンのアスペ
クト比と異なってもよい。
フィン付き冷却ハント40とフィン付き内部熱装置14
の隣接する剛体フィン間のギャップは変形性の熱媒体2
9で充填されることが好ましい。
の隣接する剛体フィン間のギャップは変形性の熱媒体2
9で充填されることが好ましい。
ある場合には、変形性の熱媒体29はチップ11とフィ
ン付き内部熱装置14のベース15間に使用されるもの
と同じ熱媒体、たとえば合成油でよい。使用される主な
変形性の熱媒体は低粘性、即ち約350−1800セン
チボイスの範囲にある熱伝導性の油、たとえばポリ(ア
ルファオレフィン)のような合成鉱油である。他の適用
可能な変形性の熱媒体には、基本的には熱的な充填剤粒
子が充填された液体もしくはゲル状のキャリアより成る
熱的ペースト及びゲル、あるいはある応用で使用される
ヘリウムのような熱伝導性の気体が含まれる。
ン付き内部熱装置14のベース15間に使用されるもの
と同じ熱媒体、たとえば合成油でよい。使用される主な
変形性の熱媒体は低粘性、即ち約350−1800セン
チボイスの範囲にある熱伝導性の油、たとえばポリ(ア
ルファオレフィン)のような合成鉱油である。他の適用
可能な変形性の熱媒体には、基本的には熱的な充填剤粒
子が充填された液体もしくはゲル状のキャリアより成る
熱的ペースト及びゲル、あるいはある応用で使用される
ヘリウムのような熱伝導性の気体が含まれる。
合成油の熱伝導率は熱的ペーストもしくはゲルの熱伝導
率の約1/8未満であるが、合成油は完全な順応性又は
変形性を有し、微細なギャップに導入することができる
。さらに、かみあわされるフィン間に合成油を使用する
ことによって、フィン付き内部熱装置の側方がバイアス
を容易に調整し、この結果、熱抵抗がさらに少なくなる
。すべてが合成油系の熱媒体を使用する場合、チップの
傾斜に適応させる必要があるならば、ギャップは任意に
小さくすることはできず、対応するチップの傾斜角と隣
接フィン間の重なり長さとの積に等しいか、これよりも
大きくなければならない。熱的ペーストもしくはゲルを
使用する場合は、ペーストもしくはゲルの変形性が小さ
いために大きなギャップが必要である。さらに、ペース
トもしくはゲル中の粒子の寸法が有限であるために、か
みあわされるフィンの表面がどの程度近づけるかについ
ては限界がある。しかしながら、全体的な見地からは、
熱伝導率の高い熱的ペーストもしくはゲルがフィン付き
高伝導性冷却モジュールの性能を高めるのに使用できる
。
率の約1/8未満であるが、合成油は完全な順応性又は
変形性を有し、微細なギャップに導入することができる
。さらに、かみあわされるフィン間に合成油を使用する
ことによって、フィン付き内部熱装置の側方がバイアス
を容易に調整し、この結果、熱抵抗がさらに少なくなる
。すべてが合成油系の熱媒体を使用する場合、チップの
傾斜に適応させる必要があるならば、ギャップは任意に
小さくすることはできず、対応するチップの傾斜角と隣
接フィン間の重なり長さとの積に等しいか、これよりも
大きくなければならない。熱的ペーストもしくはゲルを
使用する場合は、ペーストもしくはゲルの変形性が小さ
いために大きなギャップが必要である。さらに、ペース
トもしくはゲル中の粒子の寸法が有限であるために、か
みあわされるフィンの表面がどの程度近づけるかについ
ては限界がある。しかしながら、全体的な見地からは、
熱伝導率の高い熱的ペーストもしくはゲルがフィン付き
高伝導性冷却モジュールの性能を高めるのに使用できる
。
高伝導冷却モジュールにおいて、チップの高さ及び傾斜
に適応し、しかも十分な放熱作用を与えることができる
ようなフィン付き内部熱装置を与えるためには、フィン
付き内部熱装置の超平坦な表面とチップの機能面内の境
界は極めて重要である。本発明の独自のバイアス手段を
挿入することによって、この境界の一体性が保証され、
フィン付き内部熱装置14がチップ11の表面上を自由
に移動でき、しかも境界では極めて低い熱抵抗が保存さ
れ、チップもしくはチップと基板のはんだ接続部を損傷
するような過剰な応力が生じないようにされている。
に適応し、しかも十分な放熱作用を与えることができる
ようなフィン付き内部熱装置を与えるためには、フィン
付き内部熱装置の超平坦な表面とチップの機能面内の境
界は極めて重要である。本発明の独自のバイアス手段を
挿入することによって、この境界の一体性が保証され、
フィン付き内部熱装置14がチップ11の表面上を自由
に移動でき、しかも境界では極めて低い熱抵抗が保存さ
れ、チップもしくはチップと基板のはんだ接続部を損傷
するような過剰な応力が生じないようにされている。
一般に、かみあわされるフィン構造の熱的性能は、対応
するフィン間のギャップに依存し、熱的性能はギャップ
の変化とともに線形に変化する。
するフィン間のギャップに依存し、熱的性能はギャップ
の変化とともに線形に変化する。
本発明においては、ギャップの幅と熱的性能間の通常の
線形の関係以上の予期し得なかった改良が得られること
が判明した。この予期し得ない改良は約0.1mmの幅
以下のギャップについて得られる。ギャップを、チップ
の傾斜を吸収乃至はこれに適応させるのに必要な値より
も小さくすると、上述のように熱的性能が予期できない
ほど増大する。従って単にかみあわされるフィンの表面
積を増大することによっては熱的性能の必要なレベルを
達成することはできない。微細なギャップの場合でも、
性能の増強は、アスペクト比が約3:1以上で、約10
:1以下のフィンのみで可能である。例えば、この比が
約6.5対1にセットされ、必要とされる程度のチップ
傾斜適応性を有するギャップを与えた場合、最適フィン
の厚さは、08mmである。このようなフィンは機械的
に剛体であり、変形性のチップ境界がなければ十分に使
用できない。多くの従来のかみあわせ型フィンの冷却構
造体では、(フィンに平行な)1方向でしかチップの傾
斜に適応できず、すべてのチップ傾斜条件下で無視でき
る程度のチップ境界熱抵抗が必要な高性能の応用では使
用できない。本発明はフィンに平行な方向だけでなく、
フィンに垂直な方向のチップの傾斜にも適応できる。従
来のかみあわされるフィンの冷却構造体には、片持ちば
りのばね及び剛体のかみあわされたフィンと組合された
変形性のチップ境界は存在せず、本発明の目的とするV
LS [応用のための十分低い熱抵抗を与えない。本発
明の目的が可能なのは、上述のギャップと、かみあわさ
れるフィンの特性間の微細な相互作用のためである。
線形の関係以上の予期し得なかった改良が得られること
が判明した。この予期し得ない改良は約0.1mmの幅
以下のギャップについて得られる。ギャップを、チップ
の傾斜を吸収乃至はこれに適応させるのに必要な値より
も小さくすると、上述のように熱的性能が予期できない
ほど増大する。従って単にかみあわされるフィンの表面
積を増大することによっては熱的性能の必要なレベルを
達成することはできない。微細なギャップの場合でも、
性能の増強は、アスペクト比が約3:1以上で、約10
:1以下のフィンのみで可能である。例えば、この比が
約6.5対1にセットされ、必要とされる程度のチップ
傾斜適応性を有するギャップを与えた場合、最適フィン
の厚さは、08mmである。このようなフィンは機械的
に剛体であり、変形性のチップ境界がなければ十分に使
用できない。多くの従来のかみあわせ型フィンの冷却構
造体では、(フィンに平行な)1方向でしかチップの傾
斜に適応できず、すべてのチップ傾斜条件下で無視でき
る程度のチップ境界熱抵抗が必要な高性能の応用では使
用できない。本発明はフィンに平行な方向だけでなく、
フィンに垂直な方向のチップの傾斜にも適応できる。従
来のかみあわされるフィンの冷却構造体には、片持ちば
りのばね及び剛体のかみあわされたフィンと組合された
変形性のチップ境界は存在せず、本発明の目的とするV
LS [応用のための十分低い熱抵抗を与えない。本発
明の目的が可能なのは、上述のギャップと、かみあわさ
れるフィンの特性間の微細な相互作用のためである。
84 側方バイアス手段
熱抵抗が低くなるという利点の外に、本発明の高伝導冷
却モジュールの要素の組合せは、更に熱抵抗を低下させ
るための機能を組込むことができる。本発明の自由に移
動でき、熱的に効率的な境界によって、側方バイアス手
段を各フィン付き内部熱装置14とフィン付き冷却ハン
ト40の対応部分間に組込むことができる。好ましい側
方バイアス手段を第5A図に示す。第5A図の改良され
たフィン付き内部熱装置54は側方バイアスの所望の方
向と反対側の一番外側のフィンの一番外側の表面に切れ
目を入れることによってばねフラップ61が形成されて
いる。側方バイアス手段を使用する時は、フィン付き内
部熱装置とフィン付き冷却ハントの対応するフィン間の
ギャップには熱伝導性の変形性の媒体が充填される。第
5B図及び第5C図に示したように、クロス部材の両側
の片持ちぼり支持部材74上に片持ちぼりアーム72を
有する片持ちばりばね70に、側方バイアス用の付属部
材を組合せることもできる。側方バイアス付属部材71
は、代表的にはばね70と同じ、平坦な金属材料で形成
され、フィン18の高さの約1/2以下であることが好
ましい。第5C図に示したように、第5B図の片持ちば
りばね70がモジュールにロードされる時は、側方バイ
アス付属部材71と片持ちばり支持部材74間の角度は
90″よりも大きく、好ましくは100” と110@
の間にある。
却モジュールの要素の組合せは、更に熱抵抗を低下させ
るための機能を組込むことができる。本発明の自由に移
動でき、熱的に効率的な境界によって、側方バイアス手
段を各フィン付き内部熱装置14とフィン付き冷却ハン
ト40の対応部分間に組込むことができる。好ましい側
方バイアス手段を第5A図に示す。第5A図の改良され
たフィン付き内部熱装置54は側方バイアスの所望の方
向と反対側の一番外側のフィンの一番外側の表面に切れ
目を入れることによってばねフラップ61が形成されて
いる。側方バイアス手段を使用する時は、フィン付き内
部熱装置とフィン付き冷却ハントの対応するフィン間の
ギャップには熱伝導性の変形性の媒体が充填される。第
5B図及び第5C図に示したように、クロス部材の両側
の片持ちぼり支持部材74上に片持ちぼりアーム72を
有する片持ちばりばね70に、側方バイアス用の付属部
材を組合せることもできる。側方バイアス付属部材71
は、代表的にはばね70と同じ、平坦な金属材料で形成
され、フィン18の高さの約1/2以下であることが好
ましい。第5C図に示したように、第5B図の片持ちば
りばね70がモジュールにロードされる時は、側方バイ
アス付属部材71と片持ちばり支持部材74間の角度は
90″よりも大きく、好ましくは100” と110@
の間にある。
ある応用では、第4A図に示したような単一のバイアス
手段20がフィン付き内部熱装置をチップの方にバイア
スするとともに、側方バイアスを与えるのに使用される
。単一のバイアス手段20によって両方のバイアスを与
えるには、冷却ハントに面するフィン付き内部熱装置の
フィン17.18の表面を傾斜させると共に、冷却ハン
ト40にもこれに対応する傾斜面を形成すればよい。
手段20がフィン付き内部熱装置をチップの方にバイア
スするとともに、側方バイアスを与えるのに使用される
。単一のバイアス手段20によって両方のバイアスを与
えるには、冷却ハントに面するフィン付き内部熱装置の
フィン17.18の表面を傾斜させると共に、冷却ハン
ト40にもこれに対応する傾斜面を形成すればよい。
他の代替側方バイアス手段を第5D図及び第5E図に示
す。第5D図には、可撓性の弓成り部分81及び相互接
続部分82を有する弾性シート80が示されている。可
撓性の弓成り部分81がフィン付き内部熱装置14を左
側方にバイアスしている。弾性シートは好ましくは約0
.05乃至0゜2mmの厚さを有志、フィン付き内部熱
装置14のベース近くに取付けられている。弾性シート
は2重の目的に使用され、フィン付き内部熱装置14を
位置決めし、分離する手段を与える。第5E図は第5D
図の線5E−5Bに沿って見た、弾性シート80の使用
状態の断面図である。弓成り部分81は、フィン付き内
部熱装置14の下端部、この例ではフィン17の底部に
接触して、これを側方に押すのが好ましい。
す。第5D図には、可撓性の弓成り部分81及び相互接
続部分82を有する弾性シート80が示されている。可
撓性の弓成り部分81がフィン付き内部熱装置14を左
側方にバイアスしている。弾性シートは好ましくは約0
.05乃至0゜2mmの厚さを有志、フィン付き内部熱
装置14のベース近くに取付けられている。弾性シート
は2重の目的に使用され、フィン付き内部熱装置14を
位置決めし、分離する手段を与える。第5E図は第5D
図の線5E−5Bに沿って見た、弾性シート80の使用
状態の断面図である。弓成り部分81は、フィン付き内
部熱装置14の下端部、この例ではフィン17の底部に
接触して、これを側方に押すのが好ましい。
E5 他の改良
第6図にはチップ11の表面と接触するフィン付き内部
熱装置の表面25の改良、即ち表面25に溝28を設け
たことによる、従来の熱伝導モジュールに対する予期し
ない他の改良が示されている。この溝は種々の幾何学パ
ターンの配列でよく、15乃至200ミクロンの幅及び
深さを有することが好ましい。
熱装置の表面25の改良、即ち表面25に溝28を設け
たことによる、従来の熱伝導モジュールに対する予期し
ない他の改良が示されている。この溝は種々の幾何学パ
ターンの配列でよく、15乃至200ミクロンの幅及び
深さを有することが好ましい。
第7図に示すように、フィン付き内部熱装置のフィン及
び冷却ハントの対応するフィンを階段状に形成すれば、
熱東線により忠実に従う形状を与えて、熱性能を改良す
ることができる。剛体のベース51上の剛体の階段状の
フィンは、改良された冷却ハント50の階段状のフィン
53とかみあっている。
び冷却ハントの対応するフィンを階段状に形成すれば、
熱東線により忠実に従う形状を与えて、熱性能を改良す
ることができる。剛体のベース51上の剛体の階段状の
フィンは、改良された冷却ハント50の階段状のフィン
53とかみあっている。
フィンをテーバ状に形成する他の変更も可能である。
E6 具体的構成例
本発明におけるクリティカルな部品の寸法は、冷却され
るべきチップの寸法と電力の消散量によって決定される
。たとえば、変形性の熱媒体29としてポリ(アルファ
ーオレフィン)油が使用され、フィン付き内部熱装置1
4が銅から形成されているシステム中で、チップの寸法
が6.5X6゜5mmの30ワツトのチップから熱を消
散するためには、次のような寸法を使用することが好ま
しい。
るべきチップの寸法と電力の消散量によって決定される
。たとえば、変形性の熱媒体29としてポリ(アルファ
ーオレフィン)油が使用され、フィン付き内部熱装置1
4が銅から形成されているシステム中で、チップの寸法
が6.5X6゜5mmの30ワツトのチップから熱を消
散するためには、次のような寸法を使用することが好ま
しい。
第3C図を参照すると、変形性の熱媒体として油を使用
する応用では、フィン付き内部熱装置の剛体フィンは5
つあることが好ましく、剛体ベース15は約9.1mm
平方で、厚さは約9.1mmであることが好ましい。一
番外側の剛体フィン17の幅は約1.3mmで、内側の
フィン18の幅は約0.8mmである。剛体ベース15
の上面からの各フィンの垂直方向の高さは略5,8mm
である。冷却ハント40の一番外側のフィン43の幅は
約1.7mmであり、内側のフィン42の幅は0.8m
mであり、フィン43の長さは約7゜1mmで、フィン
42の長さは約5.3mmである。対応するフィン間の
油が充填されたギャップの幅は略0.035mmであり
、対応するフィンが重なる長さは約4.8mmである。
する応用では、フィン付き内部熱装置の剛体フィンは5
つあることが好ましく、剛体ベース15は約9.1mm
平方で、厚さは約9.1mmであることが好ましい。一
番外側の剛体フィン17の幅は約1.3mmで、内側の
フィン18の幅は約0.8mmである。剛体ベース15
の上面からの各フィンの垂直方向の高さは略5,8mm
である。冷却ハント40の一番外側のフィン43の幅は
約1.7mmであり、内側のフィン42の幅は0.8m
mであり、フィン43の長さは約7゜1mmで、フィン
42の長さは約5.3mmである。対応するフィン間の
油が充填されたギャップの幅は略0.035mmであり
、対応するフィンが重なる長さは約4.8mmである。
水平方向と各月持ちぼり間に約25°の角度がある2重
片持ちばりのジルコニウム−銅のばねが使用された。モ
ジュール全体の製造公差を吸収するために、剛体フィン
17.18の最上部と冷却ハント41中の対応する開孔
間には約0.8mmのスペースがあり、フィン42の下
端と、ベース15の対応する上面間には0.8mmのス
ペースが存在する。
片持ちばりのジルコニウム−銅のばねが使用された。モ
ジュール全体の製造公差を吸収するために、剛体フィン
17.18の最上部と冷却ハント41中の対応する開孔
間には約0.8mmのスペースがあり、フィン42の下
端と、ベース15の対応する上面間には0.8mmのス
ペースが存在する。
上述の構造の場合は、全体的熱抵抗は約1.1−1.2
℃/Wである。チップと冷却ハントの最上部間で測定さ
れたこの熱抵抗は、水もしくは他の熱伝導性流体をチッ
プ部分に直接導入できない高伝導冷却システムにおいて
、6.5mm平方のチップ当り約30ワツトの、必要と
される消散を与えた。チップの傾斜及び高さの変動に対
して容易に適応でき、フィン付き内部熱装置はチップの
表面に平行に摺動し、チップの傾斜に応じて傾斜するこ
とができる。2重片持ちばりのばねは、少なくとも12
0gの力、ただし約400g未満の力でフィン付き内部
熱装置をチップの表面に保持し、はんだボール接続部も
しくはチップ回路への損傷は生じなかった。さらにチッ
プの表面上の温度は均一で、許容限界内に保持されてい
た。チップとフィン付き内部熱装置の間に異物があって
も、すべての硬質の異物はフィン付き内部熱装置の歌か
い金属表面25中に埋没し、境界部には異物は見出され
なかった。
℃/Wである。チップと冷却ハントの最上部間で測定さ
れたこの熱抵抗は、水もしくは他の熱伝導性流体をチッ
プ部分に直接導入できない高伝導冷却システムにおいて
、6.5mm平方のチップ当り約30ワツトの、必要と
される消散を与えた。チップの傾斜及び高さの変動に対
して容易に適応でき、フィン付き内部熱装置はチップの
表面に平行に摺動し、チップの傾斜に応じて傾斜するこ
とができる。2重片持ちばりのばねは、少なくとも12
0gの力、ただし約400g未満の力でフィン付き内部
熱装置をチップの表面に保持し、はんだボール接続部も
しくはチップ回路への損傷は生じなかった。さらにチッ
プの表面上の温度は均一で、許容限界内に保持されてい
た。チップとフィン付き内部熱装置の間に異物があって
も、すべての硬質の異物はフィン付き内部熱装置の歌か
い金属表面25中に埋没し、境界部には異物は見出され
なかった。
かみあわされる対応フィン間に、変形性の熱媒体29と
して熱的ペーストを必要とする応用では、フィン付き内
部熱装置14のフィン17.18及び冷却ハント40の
対応するフィン42.43は長さを約1.8mmだけ短
かくし、6幅を夫々的0.25mmだけ増大し、フィン
の数を5から4に減少することが好ましい。チップの回
路から冷却ハントの最上部迄の熱抵抗は、6.5mm平
方チップで約0.7−0.75℃/Wであり、約1゜8
W/Cm2・℃の内部熱コンダクタンスが得られる。
して熱的ペーストを必要とする応用では、フィン付き内
部熱装置14のフィン17.18及び冷却ハント40の
対応するフィン42.43は長さを約1.8mmだけ短
かくし、6幅を夫々的0.25mmだけ増大し、フィン
の数を5から4に減少することが好ましい。チップの回
路から冷却ハントの最上部迄の熱抵抗は、6.5mm平
方チップで約0.7−0.75℃/Wであり、約1゜8
W/Cm2・℃の内部熱コンダクタンスが得られる。
第5A図を参照するに、側方バイアス手段を上述のよう
にフィン付き内部熱装置に設けると、熱抵抗全体が改善
される。このような側方バイアス手段は代表的には、低
粘度の流体が変形性の熱媒体として使用される応用に通
用可能である。側方バイアスを使用する実施例の寸法は
、熱的ペーストを使用した前の実施例で使用された寸法
と同程度である。側方バイアスの実施例では、約0.1
mmのばねフラップ61はフィン付き内部熱装置の一番
外側のフィンの外側表面に切込みを入れることによって
形成される。内部熱装置の各フィン上に約0.05mm
の厚さのはんだの層を付着することによって側方バイア
ス手段に追加の増強を与えることができる。はんだは組
立て後に再溶融される。この実施例では、冷却ハント4
0のフィン42.43ははんだに非湿潤性でなければな
らない。チップの回路から冷却ハントの最上部迄の、こ
のシステムの熱抵抗は、5.5mm平方チップの場合、
約0.7乃至0.75℃/Wである。
にフィン付き内部熱装置に設けると、熱抵抗全体が改善
される。このような側方バイアス手段は代表的には、低
粘度の流体が変形性の熱媒体として使用される応用に通
用可能である。側方バイアスを使用する実施例の寸法は
、熱的ペーストを使用した前の実施例で使用された寸法
と同程度である。側方バイアスの実施例では、約0.1
mmのばねフラップ61はフィン付き内部熱装置の一番
外側のフィンの外側表面に切込みを入れることによって
形成される。内部熱装置の各フィン上に約0.05mm
の厚さのはんだの層を付着することによって側方バイア
ス手段に追加の増強を与えることができる。はんだは組
立て後に再溶融される。この実施例では、冷却ハント4
0のフィン42.43ははんだに非湿潤性でなければな
らない。チップの回路から冷却ハントの最上部迄の、こ
のシステムの熱抵抗は、5.5mm平方チップの場合、
約0.7乃至0.75℃/Wである。
第6図を参照すると、溝28がフィン付き内部熱装置の
ベースの表面25に組込まれている。溝は上述の高伝導
冷却モジュール・システムより約10%だけ熱抵抗をさ
らに減少することが見出されている。溝は15乃至20
0ミクロンの幅及び深さを有するが、好ましくは15乃
至50ミクロンの幅及び15乃至20ミクロンの深さを
有し、約0.25mm離れている。この溝は余分な油も
しくは他の変形性の媒体及び汚染粒子のための逃し経路
を与える。
ベースの表面25に組込まれている。溝は上述の高伝導
冷却モジュール・システムより約10%だけ熱抵抗をさ
らに減少することが見出されている。溝は15乃至20
0ミクロンの幅及び深さを有するが、好ましくは15乃
至50ミクロンの幅及び15乃至20ミクロンの深さを
有し、約0.25mm離れている。この溝は余分な油も
しくは他の変形性の媒体及び汚染粒子のための逃し経路
を与える。
要約すると、フィン付き内部熱装置、対応するフィン付
き冷却ハント、チップの表面とフィン付き内部熱装置の
対向ベース表面間の変形性の熱媒体及び各フィン付き内
部熱装置と冷却ハント間にあって、フィン付き内部熱装
置の平坦なベースをチップに向けて駆動する独自のバイ
アス手段の組合せによって、高伝導冷却モジュール型の
システムにおいて高電力消費のチップを効果的に冷却で
きる低い熱抵抗を与えることができ、同時に、チップの
傾斜及び高さの変動に適応することができる。これは、
チップの回路もしくはチップのはんだボール接続体を損
傷させるような剛体の境界を用いることなく、又高伝導
冷却モジュール中のチップの取換えを、不可能ではない
にしても困難にする永久的な接続部を用いることなく達
成できる。
き冷却ハント、チップの表面とフィン付き内部熱装置の
対向ベース表面間の変形性の熱媒体及び各フィン付き内
部熱装置と冷却ハント間にあって、フィン付き内部熱装
置の平坦なベースをチップに向けて駆動する独自のバイ
アス手段の組合せによって、高伝導冷却モジュール型の
システムにおいて高電力消費のチップを効果的に冷却で
きる低い熱抵抗を与えることができ、同時に、チップの
傾斜及び高さの変動に適応することができる。これは、
チップの回路もしくはチップのはんだボール接続体を損
傷させるような剛体の境界を用いることなく、又高伝導
冷却モジュール中のチップの取換えを、不可能ではない
にしても困難にする永久的な接続部を用いることなく達
成できる。
このような要素の組合せは又、側方バイアス手段及びフ
ィン付き内部熱装置のベースの表面の溝のような、熱抵
抗をさらに低下させるのに有効な他の機能を簡単に組込
ませることができる。
ィン付き内部熱装置のベースの表面の溝のような、熱抵
抗をさらに低下させるのに有効な他の機能を簡単に組込
ませることができる。
F 発明の効果
本発明に従えば、チップもしくはチップが取付けられて
いる領域に、冷却用の流体を直接接触させることなく、
半導体チップのような熱発生装置を効率的に冷却できる
高性能の熱伝導モジュールを得ることができる。
いる領域に、冷却用の流体を直接接触させることなく、
半導体チップのような熱発生装置を効率的に冷却できる
高性能の熱伝導モジュールを得ることができる。
第1図は、本発明の高伝導冷却モジュールを分解した状
態の等殉国である。 第2図は、チップと熱シンク間の経路中の種々の熱抵抗
を示した、通常の熱伝導モジュールを部分的に示す図で
ある。 第3A図は、本発明の高伝導冷却モジュール・アセンブ
リの一部を一部断面で示す図である。 第3B図は、第3A図(7)M3B−3Bで得うレる断
面図である。 第3C図は、本発明の実施例の高伝導冷却モジュールの
一部の断面図である。 第4A図は、本発明で使用できる片持ちぼりばねを示す
図である。 第4B図は、代替の多重片持ちぼりばねを示す図である
。 第4C図は、代替のばね構成を示す図である。 第4D図は、代替のばねを示す図である。 第4E図は、さらに他の代替ばねを示す図である。 第5A図は、側方バイアス手段を有する高伝導冷却モジ
ュールの一部を示す図である。 第5B図は、片持ちばりのばねと組合わされた、代替側
方バイアス手段を示す図である。 第5C°図は、代替側方バイアス手段を組込んだ高伝導
冷却モジュールの一部を示す断面図である。 第5D図は、側方バイアス手段の他の代替実施例の上面
図である。 第5E図は、第5D図に示したバイアス手段による側方
バイアスを示す図である。 第6図は、微小溝を有するフィン付き内部熱装置を示す
図である。 第7図は、段付きフィンを有する、本発明の高伝導冷却
モジュールの一部を示す断面図である。 10・・・・基板、11・・・・チップ、12・・・・
はんだボール、14・・・・内部熱装置、15・・・・
内部熱装置の平坦なベース、16・・・・冷却板、17
.18・・・・14のフィン、20・・・・バイアス手
段、22・・・・片持ちばリアーム、24・・・・支持
部材、26・・・・クロス部材、29・・・・変形性の
熱媒体、34.36・・・・チャネル、35・・・・ス
ペース、40・・・・冷却ハント、42.43・・・・
40のフィン。 出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 6代理人 弁理士 山 本 仁 朗(外1名
) ノー′イアス斗4砧 第3B図 1ソ・・・亨〜1(体 作 第5B図 区 M2C図 第6図
態の等殉国である。 第2図は、チップと熱シンク間の経路中の種々の熱抵抗
を示した、通常の熱伝導モジュールを部分的に示す図で
ある。 第3A図は、本発明の高伝導冷却モジュール・アセンブ
リの一部を一部断面で示す図である。 第3B図は、第3A図(7)M3B−3Bで得うレる断
面図である。 第3C図は、本発明の実施例の高伝導冷却モジュールの
一部の断面図である。 第4A図は、本発明で使用できる片持ちぼりばねを示す
図である。 第4B図は、代替の多重片持ちぼりばねを示す図である
。 第4C図は、代替のばね構成を示す図である。 第4D図は、代替のばねを示す図である。 第4E図は、さらに他の代替ばねを示す図である。 第5A図は、側方バイアス手段を有する高伝導冷却モジ
ュールの一部を示す図である。 第5B図は、片持ちばりのばねと組合わされた、代替側
方バイアス手段を示す図である。 第5C°図は、代替側方バイアス手段を組込んだ高伝導
冷却モジュールの一部を示す断面図である。 第5D図は、側方バイアス手段の他の代替実施例の上面
図である。 第5E図は、第5D図に示したバイアス手段による側方
バイアスを示す図である。 第6図は、微小溝を有するフィン付き内部熱装置を示す
図である。 第7図は、段付きフィンを有する、本発明の高伝導冷却
モジュールの一部を示す断面図である。 10・・・・基板、11・・・・チップ、12・・・・
はんだボール、14・・・・内部熱装置、15・・・・
内部熱装置の平坦なベース、16・・・・冷却板、17
.18・・・・14のフィン、20・・・・バイアス手
段、22・・・・片持ちばリアーム、24・・・・支持
部材、26・・・・クロス部材、29・・・・変形性の
熱媒体、34.36・・・・チャネル、35・・・・ス
ペース、40・・・・冷却ハント、42.43・・・・
40のフィン。 出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 6代理人 弁理士 山 本 仁 朗(外1名
) ノー′イアス斗4砧 第3B図 1ソ・・・亨〜1(体 作 第5B図 区 M2C図 第6図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 (イ)変形性を有する熱電導性媒体を介して発熱性電子
回路装置の表面と接触する表面を有するベース及びこの
ベースから突出した複数のフィンを有するフィン付きの
内部熱電導装置と、 (ロ)上記フィンと重なるように上記フィンとかみあわ
されたフィンを有し、上記内部熱伝導装置との間にスペ
ースを与えるように設けられた熱電導性の冷却ハントと
、 (ハ)上記スペースに設けられ、上記内部熱伝導装置を
上記電子回路装置に押しつけるようにバイアスするバイ
アス手段と、 を有することを特徴とする電子回路装置冷却モジュール
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US198962 | 1988-05-26 | ||
US07/198,962 US5052481A (en) | 1988-05-26 | 1988-05-26 | High conduction cooling module having internal fins and compliant interfaces for vlsi chip technology |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0220049A true JPH0220049A (ja) | 1990-01-23 |
JP2531787B2 JP2531787B2 (ja) | 1996-09-04 |
Family
ID=22735621
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1123034A Expired - Lifetime JP2531787B2 (ja) | 1988-05-26 | 1989-05-18 | 電子回路装置冷却モジユ―ル |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5052481A (ja) |
EP (1) | EP0344084B1 (ja) |
JP (1) | JP2531787B2 (ja) |
DE (1) | DE68923582T2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20220167036A (ko) * | 2021-06-11 | 2022-12-20 | 제엠제코(주) | 반도체칩을 구비한 반도체 부품과 쿨링장치가 결합된 쿨링시스템 |
US11908766B2 (en) | 2021-04-05 | 2024-02-20 | Jmj Korea Co., Ltd. | Cooling system where semiconductor component comprising semiconductor chip and cooling apparatus are joined |
Families Citing this family (82)
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